以氢气和藻油为二次燃料的柴油发动机的能量与?分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Energy and exergy analysis of diesel engine fuelled with hydrogen and Algae Oil as secondary fields

氢气富集微藻柴油混合燃料在单缸柴油发动机中的性能研究表明，最佳混合燃料（B20+47.8%氢气）使制动热效率提升15%至35.4%，燃油消耗降低17.8%，熵效率提高至34.8%，但NOx排放增加14-18%。实验采用可编程ECU和变压缩比系统实现动态优化，验证了氢气与生物柴油协同增效的潜力，为碳中和燃料开发提供数据支持。

　　在当前全球能源需求持续增长的背景下，气候变化的紧迫性和对有限化石燃料的依赖促使了对可持续和清洁替代能源的深入研究。这项研究聚焦于一种单缸四冲程的CRDI-VCR柴油发动机，探索其在使用不同生物柴油混合燃料时的能源与能效表现。所研究的生物柴油混合燃料包括纯生物柴油（D100）、基于微藻的生物柴油（B20）以及氢气增强的生物柴油混合燃料。实验共进行了五十次测试，涵盖十种燃料配置，其中氢气以脉冲宽度形式被引入进气系统，脉冲宽度范围为0%至75.2%。研究结果表明，逐步增加的氢气供给方式显著提升了发动机的制动热效率（BTE），并减少了制动单位燃料消耗（BSFC）。最优的生物柴油混合燃料为B20+47.8%氢气，其BTE达到35.4%，相比D100提升了15%，同时BSFC减少了17.8%。能效分析进一步揭示了显著的提升效果，能效从D100的29.6%提高到了34.8%，其中能效损失减少了18.2%。可持续性指数也提升了1.42至1.54。此外，排放测试表明，CO和HC的排放分别减少了21.3%和26.7%，但NO?的排放则增加了14%至18%，这主要归因于燃烧室温度的升高。通过使用可编程的ECU和可变压缩比系统，研究人员能够对发动机转速和喷射参数进行精确控制，从而实现动态优化。总体而言，研究结果表明氢气增强的生物柴油是一种更清洁、更高效的替代燃料，特别适用于压燃式发动机。此外，它还可以用于低碳、低废的能源应用，包括分布式能源系统。

生物柴油和氢气作为两种主要的替代能源，各自具有独特的优势和挑战。生物柴油，尤其是由微藻制成的生物柴油，因其可再生性和碳中性特性而受到广泛关注。微藻是一种高效的光合作用生物，能够大量生产油脂，这些油脂可以通过酯交换反应转化为生物柴油。微藻的优势在于其能够在废水环境中生长，同时能够固定二氧化碳，并且其油脂含量可高达30%-80%，使其成为可持续燃料生产的理想原料。然而，生物柴油的商业化仍面临诸多挑战，如高生产成本、能源密集型的提取过程以及与其他生物柴油原料的竞争。尽管近年来在提取技术方面取得了进展，例如超声波辅助提取和超临界流体方法，这些技术提高了提取效率，但仍需进一步优化以增强经济可行性。

另一方面，氢气作为一种零排放的能量载体，近年来在燃料电池和内燃机的应用中备受关注。与传统燃料相比，氢气燃烧仅产生水蒸气，从而消除了二氧化碳和颗粒物的排放。氢气的高能量密度和快速燃烧特性使其在高效发电方面具有潜力。然而，氢气的储存、基础设施建设和生产成本（尤其是绿色氢气通过电解生产）仍然是其大规模应用的主要障碍。近年来，研究者们已经探索了氢气在内燃机中的富氢燃烧，显示出减少排放和提高热效率的潜力。

将生物柴油与氢气相结合，可以为解决单一燃料的局限性提供协同机会，同时最大化环境效益。例如，氢气的高火焰速度可以增强生物柴油的燃烧，缓解其较低的能量密度问题，并减少未燃烧的碳氢化合物排放。相反，生物柴油的高润滑性和十六烷值可以补充氢气的燃烧特性，提供一种平衡的清洁能源利用方式。在双燃料系统的研究中，氢气作为添加剂或次级燃料的应用显示出在效率和排放减少方面的良好前景。在压燃式发动机的替代燃料技术研究中，氢气和生物柴油被重点研究，以提高效率并减少排放。

研究者Kanna等人探讨了氢气作为单一燃料在内燃机中的潜力，并报告了当氢气替代汽油时，二氧化碳排放减少了30%。他们的研究还表明，氢气的燃烧效率和火焰速度得到了提升，但仍然存在燃料基础设施和安全方面的担忧。Dwivedi等人分析了多种微藻生物柴油混合燃料，并发现SBP100比柴油提升了14.1%的制动热效率，同时减少了燃料消耗和排气能量损失。值得注意的是，他们使用的Kirloskar 14DI单缸发动机与本研究中的配置相似，增强了比较研究的可靠性。Murat等人对柴油、棉籽油和大豆油生物柴油进行了详细的能量和能效分析，发现柴油在能量和能效方面分别达到33.67%和31.6%，而大豆油生物柴油则导致了高达7%的能效损失，这主要归因于其高氧含量和热不稳定性。这些结果强调了优化燃烧输入的重要性，如通过氢气富集来减少能效损失，这也是本研究的核心目标之一。同样，Dhole等人研究了氢气和柴油的双燃料系统，并发现氢气的使用提升了制动热效率12%-15%，同时减少了单位燃料消耗，但同时也导致了NOx排放增加9%-18%，这与本研究中观察到的氢气富集混合燃料中燃烧温度升高导致的NOx排放增加相一致。Kanna等人还测试了多种生物柴油，包括大豆、藻类和二甲醚（DME），并报告了根据不同原料，制动热效率比柴油提高了10%-20%。特别是藻类生物柴油的高十六烷值被重点提及。Priyam等人在单缸直喷柴油发动机中使用了氢气和柴油的双燃料系统，并观察到在满负荷条件下，制动热效率提高了15%，而单位燃料消耗减少了9%。这与本研究中氢气富集生物柴油带来的8%-15%的制动热效率提升相吻合，验证了双燃料系统在热力学方面的优势。

进一步支持这一观点的是，Zhang等人在四冲程涡轮增压发动机中测试了2.5%、5%和7.5%的氢气添加量，并发现随着氢气比例的增加，制动热效率提高了最高13%，同时CO和HC排放分别减少了12%和18%。这些结果与本研究中发现的B20+氢气混合燃料在可持续性方面的最佳表现相一致，即单位燃料消耗减少了12%-18%，制动热效率提高了15%。Singh等人研究了氢气-柴油双燃料系统，并发现氢气的宽火焰范围和低点火能量使其能够实现高效的稀薄燃烧，从而提高热效率和发动机响应速度。然而，他们也报告了在高氢气流量（>7.5%）下出现预点火和回火现象，表明在某一临界点之后，发动机运行变得不稳定。为了避免这种情况，本研究将氢气流量控制在6ms以内，从而确保了实验的稳定性。总体来看，这些研究的定量数据证实了氢气和生物柴油作为性能提升和排放减少燃料的可行性。本研究进一步贡献在于进行了一次包含十种混合燃料、五十次运行的实验分析，并计算了能效损失、能效和可持续性指数，从而填补了在压燃式发动机中对双燃料热力学性能的定量评估的空白。

本研究旨在探索由微藻衍生的生物柴油与氢气在内燃机中的协同潜力，作为可持续燃料的选项。研究分析了不同生物柴油-氢气混合比例的发动机性能和排放情况，并通过能量和能效分析来量化两种燃料的效率，并评估其改进潜力。通过结合这两种燃料，研究人员希望为实现更可持续的能源系统做出贡献，同时减少排放和提高能源安全。研究结果对于工程师、研究人员和政策制定者在寻求碳中性能源未来方面提供了重要的参考。

实验采用了单缸四冲程的水冷压燃式发动机，该发动机经过特殊改装以支持氢气引入。图1展示了实验设备的示意图，图2为系统框图。发动机与涡流式电涡轮连接，以精确施加负载并测量性能参数。氢气通过定时电磁阀系统引入进气歧管，其控制方式为脉冲宽度调节。这种设置确保了氢气的精确供给，并能够根据实验需求调整氢气的添加比例。通过这种方式，研究人员能够评估不同氢气比例对发动机性能和排放的影响，并探索其优化潜力。

在结果与讨论部分，研究通过热力学循环图分析了柴油发动机的性能。图3展示了柴油发动机的T-s图，其中压缩行程被建模为绝热可逆（等熵）过程（1→2），燃烧阶段被建模为等压可逆过程（2→3），做功行程被建模为等熵膨胀过程（3→4），而余热释放阶段则被假设为等容可逆过程（4→1）。这种建模方式有助于理解不同燃料混合对发动机循环过程的影响。此外，图4展示了单位燃料消耗随氢气比例变化的趋势，进一步揭示了氢气添加对发动机效率和排放的改善作用。

研究还通过详细的实验数据展示了不同氢气比例对发动机性能的具体影响。例如，随着氢气比例的增加，制动热效率逐步提升，而单位燃料消耗则相应减少。这种趋势表明，氢气的添加能够有效优化发动机的燃烧过程，从而提高其整体性能。同时，排放测试结果表明，CO和HC的排放显著减少，而NO?的排放则有所增加。这种变化主要归因于燃烧室温度的升高，这在氢气富集的混合燃料中尤为明显。研究还探讨了不同燃料混合对发动机运行稳定性的影响，发现当氢气比例超过一定限度时，可能会导致预点火和回火现象，影响发动机的正常运行。因此，通过精确控制氢气的供给比例，研究人员能够避免这些不稳定现象，确保实验的顺利进行。

研究还分析了不同燃料混合对发动机可持续性指数的影响。结果显示，随着氢气比例的增加，可持续性指数逐步提升，表明氢气的添加不仅提高了发动机的效率，还增强了其环境友好性。这种提升主要归因于氢气燃烧产生的排放较少，同时能够减少燃料消耗和能量损失。此外，研究还探讨了不同燃料混合对发动机运行参数的影响，如转速、喷射压力和燃烧时间。这些参数的变化进一步揭示了氢气添加对发动机性能的优化潜力。

研究还通过比较不同燃料混合的实验数据，验证了氢气富集生物柴油在压燃式发动机中的应用优势。例如，B20+47.8%氢气混合燃料在制动热效率和单位燃料消耗方面均优于D100，同时其排放情况也更加环保。这种混合燃料的性能优势表明，氢气的添加能够有效弥补生物柴油在能量密度方面的不足，同时减少其对环境的影响。此外，研究还分析了不同燃料混合对发动机运行稳定性的影响，发现当氢气比例控制在合理范围内时，发动机的运行更加稳定，从而确保了实验数据的可靠性。

研究还探讨了不同燃料混合对发动机运行效率的影响。例如，随着氢气比例的增加，发动机的制动热效率逐步提升，而单位燃料消耗则相应减少。这种趋势表明，氢气的添加能够有效优化发动机的燃烧过程，从而提高其整体性能。同时，排放测试结果表明，CO和HC的排放显著减少，而NO?的排放则有所增加。这种变化主要归因于燃烧室温度的升高，这在氢气富集的混合燃料中尤为明显。因此，通过精确控制氢气的供给比例，研究人员能够避免这些不稳定现象，确保实验的顺利进行。

研究还分析了不同燃料混合对发动机可持续性指数的影响。结果显示，随着氢气比例的增加，可持续性指数逐步提升，表明氢气的添加不仅提高了发动机的效率，还增强了其环境友好性。这种提升主要归因于氢气燃烧产生的排放较少，同时能够减少燃料消耗和能量损失。此外，研究还探讨了不同燃料混合对发动机运行参数的影响，如转速、喷射压力和燃烧时间。这些参数的变化进一步揭示了氢气添加对发动机性能的优化潜力。

研究还通过比较不同燃料混合的实验数据，验证了氢气富集生物柴油在压燃式发动机中的应用优势。例如，B20+47.8%氢气混合燃料在制动热效率和单位燃料消耗方面均优于D100，同时其排放情况也更加环保。这种混合燃料的性能优势表明，氢气的添加能够有效弥补生物柴油在能量密度方面的不足，同时减少其对环境的影响。此外，研究还分析了不同燃料混合对发动机运行稳定性的影响，发现当氢气比例控制在合理范围内时，发动机的运行更加稳定，从而确保了实验数据的可靠性。

综上所述，本研究通过系统的实验分析和理论探讨，验证了氢气富集生物柴油在压燃式发动机中的应用潜力。研究结果表明，这种混合燃料不仅提高了发动机的效率，还减少了排放，增强了可持续性。这些发现对于推动清洁能源技术的发展具有重要意义，同时也为政策制定者和工程师提供了重要的参考。通过进一步优化氢气和生物柴油的混合比例，以及改进发动机控制系统的参数设置，可以实现更高的性能和更低的环境影响。本研究为未来的双燃料系统研究奠定了基础，并提供了有价值的实验数据和理论支持。